引言

基于集中管理、分散控制的分散控制系統(tǒng)（distributed control system）解決了集中式直接數(shù)字控制系統(tǒng)對控制器處理能力和可靠性要求過高的缺陷，但由于其具有一定的封閉性、各分散控制系統(tǒng)之間的不兼容性，集散控制系統(tǒng)難以實現(xiàn)網(wǎng)絡互連和信息共享。

現(xiàn)場總線的出現(xiàn)使得全數(shù)字化，全開放式，具有可互操作性，徹底分散的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（fieldbus control system）得以實現(xiàn)，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)已成為自動化領域中的一個熱點，也將成為工業(yè)過程控制的一個重要發(fā)展方向。

控制器局域網(wǎng)CAN（controller areanet work）是德國Bosch公司在現(xiàn)代汽車電子技術領域中推出的一種多主控制器局域網(wǎng)絡技術，能有效支持分布式和實時控制，最早主要應用于汽車內部電子監(jiān)測和控制器件數(shù)據(jù)通信。由于其高可靠性及高實時性而廣泛應用于工業(yè)現(xiàn)場控制等領域。其突出的特點是采用最長8個數(shù)據(jù)字節(jié)的短幀結構，傳輸時間短，實時性高；另外CAN協(xié)議取消了傳統(tǒng)的地址編碼概念，取而代之的是基于數(shù)據(jù)塊標識符的無損優(yōu)先級仲裁，給分布式控制系統(tǒng)實現(xiàn)模塊間的信息共享帶來了極大的方便。

基于CAN總線的主要特點及發(fā)展趨勢，我校電液實驗室開放式電液伺服控制系統(tǒng)的改造中采用CAN總線作為現(xiàn)場總線標準，構建了一套基于CAN總線智能節(jié)點的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。文中將詳細介紹智能數(shù)據(jù)采集模塊的軟硬件設計，該模塊可以實現(xiàn)控制現(xiàn)場的數(shù)字、模擬信號采集，現(xiàn)場數(shù)據(jù)預處理，數(shù)據(jù)傳送以及與監(jiān)控計算機通訊等功能。

液壓伺服系統(tǒng)簡介

開放式電液伺服控制系統(tǒng)包括數(shù)臺電液伺服位置控制實驗臺、電液比例轉速控制實驗臺、電液比例力控制實驗臺。各實驗臺配置1套基于CAN總線的智能數(shù)據(jù)采集模塊和內置控制算法的智能控制模塊，通過CAN總線將各分散的采集模塊和控制模塊組成一個控制網(wǎng)絡，1臺PC機通過內置的CAN適配卡接入局部網(wǎng)絡，模擬工業(yè)現(xiàn)場的過程控制，PC機作為擔任過程控制監(jiān)控任務的控制站，可以實時顯示各實驗臺工作狀況及向各實驗臺發(fā)送啟停命令，同時還可以通過高速以太網(wǎng)將現(xiàn)場數(shù)據(jù)遠程傳輸至工程師站等管理級計算機，實現(xiàn)如圖1所示的分層現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。

圖1 開放式電液伺服控制系統(tǒng)總體結構

系統(tǒng)硬件設計

數(shù)據(jù)采集模塊作為一種智能化現(xiàn)場儀表，主要包括硬件系統(tǒng)和控制軟件2大部分。模塊硬件部分以80C196KC單片機作為采集模塊的核心，外圍電路主要包括CAN總線接口，程序存儲器，電源監(jiān)控及復位電路，GAL譯碼電路，DI、A/D轉換電路及模塊參數(shù)設置電路等。模塊結構如圖2所示。

圖2　數(shù)據(jù)采集模塊結構

80C196KC單片機簡介

80C196KC是Intel公司推出的高性能16位單片機。和MCS51系列單片機相比，MCS196系列單片機具有更快的運算速度和更豐富的片上外圍設備，提高了控制系統(tǒng)的實時性，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

a.可采用8/16位動態(tài)總線配置方式，增強系統(tǒng)的靈活性。

b.CPU中的算術邏輯單元不采用常規(guī)的累加器結構，改用寄存器-寄存器結構。CPU的操作直接面向256字節(jié)的寄存器，消除了51單片機中存在的累加器的瓶頸問題，提高了操作速度和數(shù)據(jù)吞吐能力。

c.有一套效率更高、執(zhí)行速度更快的指令系統(tǒng)。可以對帶符號數(shù)和不帶符號數(shù)進行操作，16×16位只需1.4μs（20MHz），32÷16位只需2.4μs（20MHz），此外還有3操作數(shù)指令，大大提高指令效率。

選擇80C196KC單片機作為數(shù)據(jù)采集模塊的核心器件，可以滿足應用系統(tǒng)的要求，保證系統(tǒng)的可靠性和實時性。

CAN總線接口電路

CAN總線接口由PHILIPS公司的獨立總線控制器SJA1000和接口芯片82C250組成。SJA1000在軟件上和引腳上都是與它的前款PCA82C200獨立控制器兼容的，并增加了許多新功能：標準幀數(shù)據(jù)結構和擴展幀數(shù)據(jù)結構，并且這2種幀格式都具有單/雙接收過濾器；64字節(jié)的接收FIFO；可讀錯誤計數(shù)器和可編程的出錯警告界限以及僅聽模式和自測試模式等。硬件連接上比較簡單：SJA1000的數(shù)據(jù)地址總線是分時復用的，可以直接與80C196KC的P3口連接，對應控制線相連即可。需注意的是，80C196KC是Intel公司的處理器，因此SJA1000工作在Intel方式，mode引腳應接電源正端，另外單片機的外部中斷只有正跳變有效，而SJA1000的中斷信號是低電平有效，因此需反相后才能連接單片機中斷引腳。

82C250器件提供對總線的差動發(fā)送能力和對CAN控制器的差動接收能力，其RS引腳允許選擇3種不同的工作方式：高速、斜率控制和待機。在低速和總線長度較短時，一般采用斜率控制方式，限制上升和下降斜率，降低射頻干擾，斜率可通過由RS引腳至地連接的電阻進行控制。通信信號傳輸?shù)綄Ь€的端點時會發(fā)生反射，反射信號會干擾正常信號的傳輸，因而總線兩端通常應接有終端電阻，以消除反射信號，其阻值約等于傳輸電纜的特性阻抗，一般取120Ω。

數(shù)字信號采集電路

電液伺服實驗臺需要采集的物理量之一是液壓缸的位移，實驗室現(xiàn)有裝備的位移傳感器有2種：感應同步器和旋轉光電編碼器。二者都配有帶BCD碼輸出的數(shù)顯測量儀表，直接采集數(shù)顯表的數(shù)字量可以保證采集模塊具有儀表的高精度，避免因采集傳感器前端脈沖而帶來的誤差，同時也使電路更加簡潔。

數(shù)字顯示儀表的有效BCD碼位數(shù)為5位（個、十、百位及2位小數(shù)位），另帶一位符號位，共有21位二進制位。80C196KC片內不帶程序存儲器，因而用P3和P4口作為地址數(shù)據(jù)總線，單片機剩余有效IO口資源較少，因此必須擴展并口。并口擴展可以采用專用擴展芯片或通用74系列的邏輯芯片，為了簡化電路和編程，采用常見的可擴展24路IO口的82C55A并口擴展芯片。現(xiàn)場的數(shù)字顯示儀表的輸出是非標準的TTL電平，為了實現(xiàn)模塊與前端儀表兼容和隔離，對輸入的數(shù)字信號采用了TLP521光耦進行電平轉換和信號隔離。

A/D轉換電路電路

本模塊中A/D轉換器選用AD1674，它與AD574兼容，12位分辨率，輸入電壓范圍0～±10V或0～±5V單雙極性可選，轉換時間為10μs，單通道最大采集速率50KHz，片內帶基準電壓、三態(tài)緩沖器，且具有采樣保持電路，完全滿足設計的需要。

模擬電壓信號來自BLR1型拉壓式稱重傳感器，傳感器壓力測量量程為0～5000kg，輸出電壓信號0～16mV。為適應AD1674輸入電壓范圍，需對傳感器的微弱電壓信號放大，但同時并存許多噪聲源：傳感器內阻、電纜電阻、放大器電路以及電路周圍的電磁干擾源。因此，電壓信號前端采用低通濾波器和差分放大器AD620等來抑制差模噪聲和共模噪聲，如圖3所示。

圖3

設Vs為傳感器的信號電壓，Vn1、Vn2為外部噪聲源在電纜線上的感應噪聲信號，Vns為電路噪聲。因此，差分放大器輸出電壓Vo為：

Vo=A（V1-V2）=A（Vs+Vns+（Vn1+Vn2））；如果噪聲源與信號源頻譜不重疊，則經(jīng)低通濾波電路后：Vf≈AVs。

GAL譯碼電路

本模塊電路中，單片機擴展外圍器件較多，有程序存儲器AT28C256、CAN控制器SJA1000、并口擴展82C55A和A/D轉換AD1674。196單片機在模塊中主要工作于8位總線寬度下，由于AD1674采用了12位并行輸出模式，因此還需動態(tài)改變總線寬度。為了簡化電路，以及適應196單片機較高總線速度的要求，譯碼電路放棄了傳統(tǒng)的門電路組合的方法，采用了可多次編程的通用陣列邏輯器件（generic array logic）GAL16V8。這樣可以減少元器件數(shù)量、降低線路復雜程度，同時降低故障機率及提高硬件設計的靈活性。

GAL16V8引腳分配及邏輯表達式如下：

Input device‘P16V8AS’；

WR，RD，CAN，A12，A13，A14，A15，ADC

pin2，3，4，5，6，7，8，9；

BUSWIDTH，CSCAN，INTCAN，CEROM，CSADC， CS8255，NTADC，EADC

pin19，18，17，16，15，14，13，12；

EQUATIONS

！CEROM=！A15&！A14&A13&！A12#

！A15&！A14&A13&A12

#！A15&A14&！A13&！A12#！A15&

A14&！A13&A12

#！A15&A14&A13&！A12#！A15&

A14&A13&A12

#A15&！A14&！A13&！A12#A15&！

A14&！A13&A12；

！CSCAN=A15&！A14&A13&！A12；

！CS8255=A15&！A14&A13&A12；

！CSADC=A15&A14&！A13&！A12；

BUSWIDTH=A15&A14&！A13&！A12；

！INTCAN=CAN；

！INTADC=ADC；

！CEADC=WR&RD；

由上述邏輯表達式可以看出，外圍器件地址基地址由最高4位地址A12～A15決定，AT28C256、SJA1000、82C55A及AD1674對應基地址分別為：2000H，A000H，B000H，C000H。當選通AD1674時，單片機總線寬度控制引腳BUSWIDTH將置為高，動態(tài)調整到16位總線寬度，其余時刻，BUSWIDTH為低，單片機保持8位總線寬度。INTCAN和INTADC分別是對SJA1000和AD1674中斷請求信號取反。GAL表達式文件用ABEL軟件編譯形成JED文件，使用通用編程器燒入芯片，且可反復多次燒寫，方便調試。

軟件編程

控制軟件的合理設計是模塊實時、有效地完成數(shù)據(jù)采集及通信任務的關鍵，主要包括系統(tǒng)初始化、CAN信息處理、數(shù)據(jù)采集及處理等功能模塊。系統(tǒng)開放一個定時中斷，定時時間對應上位機發(fā)送來的采樣周期。CAN報文的接收主要有2種方式：中斷和查詢方式。為提高系統(tǒng)的實時性，同時也保證接收緩沖器不出現(xiàn)數(shù)據(jù)溢出現(xiàn)象，模塊中采用中斷接收方式。CAN報文發(fā)送采用查詢方式，即當需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，將預先組織好的數(shù)據(jù)幀按字節(jié)寫入SJA1000的發(fā)送緩沖寄存器中。

SJA1000的初始化主要是在SJA1000的復位模式下設置相應寄存器。在初始化CAN內部寄存器時應注意同一網(wǎng)絡中各模塊的通信速率的設置應一致。下面給出SJA1000工作在BasicCAN模式下的簡單的初始化源程序：

INIT-SJA1000：

LDB　AL，　#01H

STB　AL，　REG-CR　；復位SJA1000

LDB　AL，　#0AAH

STB　AL，　REG-OCR　；設置輸出寄存器為普通輸出模式

LDB　AL，　#048H

STB　AL，　REG-CDR　；使能內部比較器，禁止時鐘輸出

STB　#01H，　REG-BTR0　；設置波特率為

250K（使用16M晶振）

STB　#1CH，　REG-BTR1

LDB　AL，　#00H

STB　AL，　REG-ACR　；設置驗收碼寄存器

LDB　AL，　#0FFH

STB　AL，　REG-AMR　；設置驗收屏蔽碼寄存器

LDB　AL，　REG-CR

ANDB　AL，　#0FEH　；SJA1000退出復位模式

LDB　AL，　#02H

STB　AL，　REG-CR　；設置中斷寄存器，使能

接收中斷

RET

以上程序段可以正確初始化SJA1000，為了提高程序可靠性和容錯性，實際應用中應該讀出SJA1000寄存器內容并加以比較，從而判斷是否正確寫入。

結束語

基于以上所述的軟、硬件設計實現(xiàn)了CAN協(xié)議所包括數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，由于CAN總線協(xié)議沒有定義應用層，因此在實際的應用中有必要定義高層通信協(xié)議，即相應的命令、參數(shù)和數(shù)據(jù)的格式。國際上比較流行的基于CAN底層協(xié)議的高層協(xié)議有DeviceNet和CANopen，我們在簡單應用中，采用了自定義的簡單通信協(xié)議，在此不作敘述。設計的智能數(shù)據(jù)采集模塊應用于電液伺服控制系統(tǒng)以來，運行情況良好，由于CAN總線的應用，大大提高了分布式數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)的靈活性、可靠性和實時性，建立了一個有效的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的實驗教學平臺。同時該數(shù)據(jù)采集模塊也可以方便地移植到工業(yè)上的其它控制系統(tǒng)中，與其它基于CAN總線的智能控制模塊組成CAN現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。

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